Атомная (прикладная) физика

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Определена степень поляризации излучения, создаваемого рентгеновской трубкой.

•Причина ожидавшейся поляризации – наклон антикатода по отношению к потоку электронов (катодных лучей).

•В качестве рассеивателя «R» в опыте → использовался лист бумаги.

•Измерялись интенсивности лучей, рассеянных перпендикулярно друг другу на угол /2.

•Показания ионизационных камер D1 и D2 должны быть пропорциональны доле

волн разных поляризаций в создаваемом трубкой излучении.

•При вращении трубки соотношение регистрируемых камерами интенсивностей изменялось приблизительно на 15%.

•Эксперимент впервые показал, что к рентгеновскому излучению применимо понятие поляризации. Следовательно, это поперечные волны.

13

vkАналогичным.com/club152685050образом| vk.com/id446425943планировалось

показать, что излучение, рассеянное под углом /2, полностью поляризовано.

•На пути излучения трубки ставился рассеиватель R1. Рассеянные на 90 лучи анализировались описанным

ранее способом (рассеиватель R2, ионизационные камеры D1 и D2).

•Наличие двух рассеивателей потребовало до предела расширить апертуры коллиматоров – иначе интенсивности лучей были малы.

•Из-за этого опыт Баркла 1906 г. не совсем удался – степень поляризации была определена как Р 50%.

•Позднее другие исследователи на более совершенной аппаратуре подтвердили предсказание теории Томсона о полной поляризации лучей, рассеянных под углом /2 .

•Следовательно, была подтверждена справедливость и самой этой теории.

14

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

2.3. Дифракция рентгеновских лучей на кристаллах. Метод Лауэ

Для наблюдения дифракции оптимально использование решеток с периодом, близким к длине волны излучения.

В 1912 году Лауэ предложил использовать кристаллы в качестве дифракционной решетки для опытов с рентгеновскими лучами.

Одна из известных тогда теорий (оказавшаяся верной) связывала свойства кристаллов, в частности, анизотропию их свойств, с упорядоченным расположением их атомов.

Лауэ предложил попробовать в одном опыте:

1) доказать упорядоченность расположения атомов в кристалле и

2)дать прямое доказательство волновых свойств рентгеновских лучей.

Max von Laue (1879-1960)

1

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Есть противоречие с теорией рассеяния Томсона, предполагающей некогерентное сложение рассеянных волн. А для дифракции требуется когерентное сложение волн от периодически расположенных рассеивателей.

Томсоновская теория более справедлива для неупорядоченных сред (например, газов) и для легких элементов, где электроны почти свободны (делокализованы). Их положение можно считать (почти) случайным.

Атомы тяжелых элементов содержат сильно связанные электроны. Их положение в кристаллах (как оказалось) в большой степени подчиняется периодическому закону. Поэтому вторичные волны складываются когерентно.

Еще одно возражение: тепловое движение атомов.

2

vkОпыт.com/club152685050Лауэ, Фридриха| vk.com/id446425943и Книппинга (1912 г.):

Экспериментальный прибор:

1 – рентгеновская трубка; 2 – рентгеновские лучи; 3 – свинцовая диафрагма; 4 – кристалл; 5 – фотопластинка.

В первом опыте использовался несовершенный кристалл медного купороса.

Вначале пытались использовать кристалл в качестве отражающей дифракционной решетки, поместив фотопластинку параллельно падающему лучу. Опыт не дал результата.

Тогда пластину поставили перпендикулярно. Получили изображение с примерно симметричными рефлексами. В отсутствие кристалла – только центральное пятно.

Превратив кристалл в порошок, получили изображение в виде колец.

Результат первого эксперимента

3

vkДалее.com/club152685050экспериментальный| vk.com/id446425943прибор был усовершенствован, и качество изображений существенно улучшилось.

Экспериментальная установка

Фридриха и Книппинга после улучшений:

Лауэграммы, полученные Фридрихом и Книппингом для качественного

кристалла цинковой обманки (ZnS) при

разных направлениях падающего луча →

4

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

• Таким образом, проведенный опыт дал доказательство как упорядоченности положений атомов к кристаллах, так и волновой природы рентгеновских лучей.

• Расположение пятен в лауэграмме уникально для каждого вида кристаллической решетки. Рентгеновская дифракция стала мощным инструментом кристаллографических исследований.

• Доля удачи:

оказалось , что получение дифракционных картин от трехмерных решеток требует выполнения ряда дополнительных условий.

Разные пятна лауэграммы образуются действием рентгеновских лучей разных длин волн.

При использовании монохроматического источника рентгеновского излучения их получение существенно затруднено.

Опыт Лауэ, Фридриха и Книппинга оказался успешным из-за большой спектральной ширины излучения рентгеновской трубки.

Разберемся подробнее.

5

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

• Начнем с одномерной решетки – цепочки атомов, расположенных вдоль оси x с шагом a.

• Под углом 0 на нее падает плоская волна .

• Результат сложения вторичных волн формируется в точке пространства «M», которую будем считать достаточно удаленной, чтобы угол схождения лучей был малым.

• Тогда условие конструктивной интерференции вторичных волн:

a(cos − cos 0 ) = n

-- угол дифракции, n – ее порядок.

(левая часть – разность ходов IB’BI – IA’AI )

6

vk.com/club152685050− | vk.com/id446425943=

a(cos cos 0 ) n

•Это условие будет выполняется не только для направлений в плоскости падения. Но и для всех направлений, образующих конусы с углами при вершине, равными таким .

•Семейство таких конусов для разных n показаны на рисунке. →

Рассеивающая цепочка – в точке их соприкосновения.

•Ведем в рассмотрение регистрирующее устройство – фотопластинку.

•Ее почернение произойдет в местах ее пересечения с конусами, где выполняется условие конструктивной интерференции вторичных волн.

7

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

•В зависимости от угла между плоскостью пластинки и осью x, увидим окружности, эллипсы или гиперболы («конические сечения», кривые второго порядка). Например:

(Ось x’ параллельна оси x .)

8